J. Rohwer, F. Traulsen-Pöschel, T. Netzel, K. Kochan

Dieser Beitrag entwickelt eine Methodik zur Integration von Modellbildung, statistischer Analyse und Architekturuntersuchungen in frühen Entwicklungsphasen hybridelektrischer Antriebssysteme für die Luftfahrt. Die Zielsetzung ist, die Entwicklungszeit bezogen auf die Untersuchung des Antriebsstrangs angesichts zunehmender Systemkomplexität zu verkürzen und dazu hardwarebezogene Entwicklungsschritte mithilfe virtueller Entwicklungsumgebungen und Methoden in frühere Phasen vorzuziehen (Frontloading) und dabei agile Arbeitsmethoden anzuwenden. Ausgangspunkt ist die Notwendigkeit, klimaneutrale Antriebe zu realisieren und gleichzeitig den hohen technischen Anforderungen an Brennstoffzellen-Hybridsystemen gerecht zu werden. Besonders im Bereich der Ultraleichtflugzeuge eröffnen sich hier Chancen, neue Konzepte unter geringen regulatorischen Hürden zu erproben. Das Untersuchungsobjekt ist ein modularer, luftgekühlter Brennstoffzellenantrieb, der als Multi-String-Architektur aufgebaut ist. Mehrere Brennstoffzellenstränge versorgen jeweils Teilbereiche des Motors und ermöglichen so Gewichtsvorteile, Redundanz und flexible Betriebsstrategien. Um die Komplexität beherrschbar zu machen, werden klare Systemgrenzen definiert und die Subsysteme – Brennstoffzelle, Batterie, Leistungselektronik und Elektromotor – zunächst in vereinfachten Simulationsmodellen abgebildet. Diese dienen der schnellen Integration und werden schrittweise zu detaillierten Modellen weiterentwickelt, die physikalische Effekte und Wechselwirkungen realitätsnah erfassen. Die Kopplung der Subsysteme erfordert besondere Maßnahmen, um Stabilität, Realisierbarkeit und Konvergenz sicherzustellen. Hierzu werden unter anderem Filtermechanismen eingesetzt, die numerische Schwingungen dämpfen, ohne die physikalischen Eigenschaften zu verfälschen. Parallel dazu werden verschiedene Solver-Einstellungen untersucht, um die Anforderungen an Genauigkeit, Rechenzeit und Echtzeitfähigkeit im Prüfstandbetrieb zu erfüllen. Ein automatisierter Prozess zur Auswertung und statistischen Analyse der Simulationsergebnisse stellt sicher, dass Einflussgrößen effizient identifiziert und Architekturentscheidungen fundiert getroffen werden können. Durch die Integration in ein dSPACE-System wird schließlich die Kopplung von Simulation und realem Teststand ermöglicht. Dies erlaubt Hardware-in-the-Loop-Experimente, mit denen Modelle validiert und Betriebsstrategien überprüft werden können. Die Arbeit zeigt damit einen durchgängigen methodischen Ansatz, der eine parallele Entwicklung von Simulation und Experiment erlaubt, Risiken frühzeitig adressiert und eine robuste Grundlage für die Auslegung hybridelektrischer Brennstoffzellenantriebe in der Luftfahrt schafft.

This paper develops a methodology for integrating modeling, statistical analysis, and architectural investigations in the early development phases of hybrid-electric propulsion systems for aviation. The objective is to shorten the development time for powertrain investigations in light of increasing system complexity. This is achieved by frontloading hardware related development steps to earlier phases using virtual development environments and methods, while applying agile working methods. The starting point is the need to realize climate-neutral propulsion systems while simultaneously meeting the high technical requirements of fuel cell hybrid systems. Particularly in the field of ultralight aircraft, this offers opportunities to test new concepts with minimal regulatory hurdles. The object of investigation is a modular, air-cooled fuel cell propulsion system designed as a multi-string architecture. Several fuel cell strings each supply sub-sections of the engine, thus enabling weight advantages, redundancy, and flexible operating strategies. To manage the complexity, clear system boundaries are defined, and the subsystems fuel cell, battery, power electronics, and electric motor—are initially represented in simplified simulation models. These models facilitate rapid integration and are progressively developed into detailed models that realistically capture physical effects and interactions. Coupling the subsystems requires specific measures to ensure stability, feasibility, and convergence. These measures include the use of filter mechanisms that dampen numerical oscillations without distorting the physical properties. In parallel, various solver settings are investigated to meet the requirements for accuracy, computation time, and real-time capability during test bench operation. An automated process for evaluating and statistically analyzing the simulation results ensures that influencing factors can be efficiently identified and well-founded architectural decisions can be made. Finally, integration into a dSPACE system enables the coupling of simulation and the real test bench. This allows for hardware-in-the-loop experiments, which can be used to validate models and verify operating strategies. This work thus demonstrates a consistent methodological approach that allows for the parallel development of simulation and experimentation, addresses risks early on, and creates a robust foundation for the design of hybrid-electric fuel cell propulsion systems in aviation.

Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress 2025, Augsburg

Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V., Bonn, 2025

Conference Paper

deutsch

21,0 x 29,7 cm, 9 Seiten

urn:nbn:de:101:1-2512221123325.845545035045

10.25967/650340

Systemintegration, Hardware-in-the-Loop

Download - Bitte beachten Sie die Nutzungsbedingungen dieses Dokuments: CC BY-ND 4.0  OPEN ACCESS

Rohwer, J.; Traulsen-Pöschel, F.; et al. (2025): Methodischer Ansatz zur Integration von Modellen, statistischen Voruntersuchungen und Architekturvarianten in den frühen Entwicklungsphasen eines hybridelektrischen Teststands. Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt - Lilienthal-Oberth e.V.. (Text). https://doi.org/10.25967/650340. urn:nbn:de:101:1-2512221123325.845545035045.

22.12.2025